淺談混凝土重力壩上游面土工膜防滲技術(shù)

徐德芳

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310014）

1 國內(nèi)外大壩土工膜防滲體系應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外廣泛采用的土工膜主要是由塑料和合成橡膠兩大類聚合物材料制成的膜片。土工膜滲透系數(shù)為1×10-11～1×l0-12cm/s，實(shí)際上不透水，是理想的防滲材料，常作為壩體的防滲膜。土工膜用于大壩防滲始于20世紀(jì)50年代末。首次報(bào)導(dǎo)的土工膜應(yīng)用是在修建新的土石壩過程中作為不透水材料起阻水作用——1959年意大利孔特拉達(dá)薩貝塔（Contrada Sabetta）工程，用于整個(gè)面板。從1971年開始，土工膜被用于意大利Lago Baitone重力壩的修復(fù)改造。意大利從1975年開始，對(duì)上游面混凝土剝蝕老化漏水的混凝土壩在上游面用復(fù)合土工膜防滲，獲得了良好效果。用此法防滲加固的混凝土壩包括重力壩、雙曲拱壩、連拱壩、漿砌石壩、碾壓混凝土壩。如46 m高的尼羅湖混凝土重力壩是1929年建成的，長期漏水，幾次修補(bǔ)收效不大，1975將復(fù)合土工膜卷材在壩頂散開下垂，用不銹鋼肋板壓緊錨固在壩的上游面，修補(bǔ)后滲漏極小。1988年意大利Cignana壩用復(fù)合土工膜修補(bǔ)，復(fù)合土工膜修補(bǔ)前后見圖1和圖2。

圖1 意大利Cignana壩凍融剝蝕的混凝土層在1988年脫落Fig.1 Concrete surface of Cignana dam in Italy peeled by frost and defrost in 1988

圖2 1988年安裝的復(fù)合土工膜Fig.2 Composite geomembrane installed in 1988

1923～1924年建成的美國加利福尼亞州Lost Creek拱壩，壩高37.19 m，限于當(dāng)時(shí)的筑壩技術(shù)水平，混凝土質(zhì)量較差，內(nèi)部存在孔隙，不僅澆筑縫和裂縫滲水，且沿著整個(gè)壩體下游面滲水。混凝土中的滲水冬季結(jié)冰，引起混凝土膨脹和表面混凝土剝落。1997年降低水位在大壩上游表面安裝土工膜進(jìn)行修補(bǔ)，見圖3。

圖3 上游面復(fù)合土工膜系統(tǒng)安裝Fig.3 Installation of composite geomembrane on upstream face

我國20世紀(jì)70年代建成的高50 m的亭下混凝土重力壩，廊道內(nèi)漏水過大，1984年在上游壩面用膠粘劑鋪貼了丁基橡膠膜。我國在土工織物應(yīng)用方面雖然起步較晚，但發(fā)展速度很快。尤其是20世紀(jì)80年代以后，土工織物在水利水電工程中的應(yīng)用發(fā)展更為迅速。目前，高分子防水卷材除了用于新建土石壩和新建碾壓混凝土壩的防滲之外，也被用于混凝土重力壩、支墩壩、拱壩、連拱壩、土壩、混凝土面板堆石壩、瀝青面板堆石壩等壩型。由于種種原因，復(fù)合土工膜在混凝土大壩上游面防滲工程中應(yīng)用推廣較慢，根據(jù)數(shù)據(jù)資料，我國現(xiàn)沒有在混凝土大壩上游面鋪設(shè)復(fù)合土工膜的實(shí)例。

2 防滲土工膜材料選擇

土工膜基本不透水，它是土工合成材料的一種。目前常用的土工膜有PVC（聚氯乙烯）和PE（聚乙烯）兩種。聚氯乙烯通過壓延法生產(chǎn)，它的比重為1.4，具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。聚乙烯通過擠壓法生產(chǎn)，它的比重為0.92，耐酸堿，抗化學(xué)劑能力強(qiáng)，吸濕性低，低溫時(shí)仍具柔性，電絕緣性極好。

工程選料時(shí)，主要根據(jù)以下幾個(gè)方面來選定合適的土工膜。

（1）力學(xué)特性

由于土工膜只用于防滲，故其拉伸強(qiáng)度不作為選材的重要指標(biāo)。聚乙烯和聚氯乙烯兩種材料制成的土工膜的拉伸強(qiáng)度相差不大。PVC膜與砂之間的摩擦系數(shù)明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數(shù)，摩擦角平均至少大5°～6°，這是一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)，會(huì)影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護(hù)層之間的滑動(dòng)穩(wěn)定性。

（2）整體性（可連接性）

土工膜無論出廠時(shí)幅有多寬，實(shí)際使用時(shí)仍需將其幅與幅之間連接起來，以成為一個(gè)整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用粘合劑粘接。

（3）經(jīng)濟(jì)性

目前兩種材料的價(jià)格大體相當(dāng)，而PE的比重小于PVC的比重，所以同樣厚度的情況下每單位面積的價(jià)格，PE膜要低一些。另外PVC膜出廠時(shí)的幅寬一般為1.5～2.0 m，PE膜幅寬可達(dá)4～4.5 m，相應(yīng)PE膜的接縫數(shù)量就比PVC膜要少，因而搭接的用量就少一些，現(xiàn)場接縫的工作量也相應(yīng)少一些。應(yīng)對(duì)PE和PVC的比重、單位價(jià)格、幅寬和幅的粘接次數(shù)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

（4）耐久性

PVC和PE兩材料存放時(shí)均要防止太陽照射，太陽照射容易分解，影響材料性能，并要防止機(jī)械壓壞。經(jīng)試驗(yàn)考證，PVC和PE材料埋在40 cm以下使用和放在水中的使用壽命可達(dá)100年。水質(zhì)對(duì)材料的影響不大，在pH值2～10的水中試驗(yàn)，材料老化影響不大。但如果承受的應(yīng)力水平超過拉斷強(qiáng)度的30%，缺陷部位易擴(kuò)張，易損壞。如果承受應(yīng)力水平達(dá)到拉斷強(qiáng)度的20%時(shí)，材料不易損壞。因此使用時(shí)水平應(yīng)力要小，不要拉得太緊，應(yīng)力水平不要超過拉斷強(qiáng)度的20%，這樣，材料的使用壽命很長。PVC土工膜在完全暴露的環(huán)境下耐久性也至少有50年。目前仍然運(yùn)行良好的工程，PVC土工膜已有30多年：如Lago Miller大壩，1976安裝PVC土工膜；Gorghiglio大壩，1979安裝PVC土工膜；Lago Nero大壩，1980安裝PVC土工膜。

（5）適用性

根據(jù)PVC和PE兩種材料的凍融循環(huán)、U.V射線、低溫、受拉、擊穿、撕裂和冰凍測試，考慮到土工膜后排水層的重要性，PVC土工膜對(duì)大壩防滲更加適合。見圖4、圖5。

圖4 PVC適應(yīng)變形能力較好，在1.0 MPa壓力作用下沒有發(fā)生破壞Fig.4 Strong adaptability of deformation of PVC,undestroyed at pressure of 1.0 MPa

圖5 PE適應(yīng)變形能力較差，在0.15 MPa壓力作用下破壞Fig.5 Week adaptability of deformation of PE,destroyed at pressure of 0.15 MPa

隨著水利水電工程的大力發(fā)展，對(duì)防滲要求越來越高，單一的薄型土工膜已不能滿足工程防滲要求，越來越多的工程采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲。復(fù)合土工膜是一種新型的防滲材料，它是將土工膜和土工織物按要求制成的組合物。它防滲效果好，有較好的耐侵蝕性，有較高的防老化能力，具有質(zhì)地柔軟、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工方便、整體連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)性能、強(qiáng)度和防滲性能優(yōu)于單一膜，有較強(qiáng)的適應(yīng)重物局部荷載沖擊能力和反濾排水功能。復(fù)合土工膜用來防滲，土工織物起加筋、排水和增加土工膜與壩面之間摩擦力的作用。

復(fù)合土工膜在工廠制造時(shí)可以有兩種方法：一是將織物和膜共同壓成；另外也可在織物上涂抹聚合物以形成二層（俗稱一布一膜）、三層（二布一膜）、五層（三布二膜）的復(fù)合土工膜。

復(fù)合土工膜規(guī)格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應(yīng)力、材料彈性模量、鋪設(shè)范圍內(nèi)的最大水頭及覆蓋層最大粒徑等有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮工程的水頭、地質(zhì)條件、滲透系數(shù)、材料間的摩擦系數(shù)、工程排氣及工程造價(jià)等因素。

根據(jù)工程實(shí)例，用于混凝土大壩上的土工膜多半是PVC，統(tǒng)計(jì)表明PVC土工膜占85%以上。PVC防滲材料具有很好的伸縮性，可以很好地覆蓋混凝土裂縫。在實(shí)驗(yàn)室中，土工膜已經(jīng)被證明具有很好的抗震性。復(fù)合土工膜密封防滲系統(tǒng)不需特別養(yǎng)護(hù)，意外的破裂易于修復(fù)，且修復(fù)費(fèi)用低，水下修復(fù)也容易。

土工膜厚度設(shè)計(jì)除應(yīng)考慮強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應(yīng)用條件，在缺乏專門設(shè)計(jì)規(guī)范的情況下，基于經(jīng)驗(yàn)，建議遵循下列最小值，平整面大壩中，采用PVC復(fù)合土工膜的安全值為：大壩高度＜40 m，PVC復(fù)合土工材料為2 mm土工膜熱粘接于200 g/mm2的土工布；大壩高度＞40m，PVC為2.5 mm土工膜熱粘接于500 g/mm2的土工布。

3 壩上游面設(shè)置水下土工膜防滲技術(shù)

壩上游面設(shè)置水下土工膜防滲技術(shù)即從壩頂?shù)綁熙嘣O(shè)置一個(gè)連續(xù)防滲的防滲膜，防滲膜與壩基相接。為了運(yùn)行期排除膜下滲漏水，在防滲膜下游（壩上游面）安裝連續(xù)的表面排水系。土工膜間采用熱熔焊接方式進(jìn)行粘接，土工膜周邊用防水不銹鋼壓條錨固防滲，使壩體上游面形成一個(gè)封閉完整的防滲系統(tǒng)，見圖6。

圖6 壩上游面設(shè)置水下防滲土工膜方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of scheme of installing underwater geomembrane on upstream face

大壩上游面PVC柔性防滲系統(tǒng)安裝包括兩個(gè)部分，一部分是水上安裝，另一部分是水下安裝。

3.1 PVC柔性防滲系統(tǒng)水上安裝

PVC土工膜卷材水上安裝相對(duì)容易。安裝采用卷揚(yáng)機(jī)操作的平臺(tái)，從壩頂開始，沿壩頂降下卷材，工作人員在施工浮橋（懸掛在壩頂，是可以升降的工作平臺(tái)）上采取熱熔焊接方式焊接PVC土工膜板材。如圖7所示。

圖7 在施工浮橋上進(jìn)行水上PVC土工膜焊接（美國Oliven-hain RCC）Fig.7 Welding PVC geomembrane above water on the pon-toon(American Olivenhain RCC)

3.2 PVC柔性防滲系統(tǒng)水下安裝

PVC柔性系統(tǒng)水下安裝是先把預(yù)制的6 m寬的板材用施工浮橋吊起，而后用規(guī)格為50×3 mm的不銹鋼壓條把板材固定在頂部，再降至水中，板材由潛水員放置并緊固在水下壩面上。圖8為美國Lost Creek大壩的上游面防滲布置，2/3為水上安裝，1/3為水下安裝。

水上安裝土工膜，相鄰的土工膜板材可通過垂直熱焊接結(jié)合起來。水下安裝部分，熱焊接是不可能的。水下安裝土工膜系統(tǒng)必須依靠機(jī)械錨固，通過機(jī)械錨固直接連接相鄰的土工膜板材，將土工膜之間的搭接封閉起來。安裝在水下部分的土工膜板材采用PVC土工膜壓條對(duì)連接處進(jìn)行密封，這個(gè)型號(hào)的土工膜和防水復(fù)合土工膜屬于同一種類型，只是沒有土工織物。

3.3 土工膜的錨固系統(tǒng)

PVC土工復(fù)合材料錨固在壩面上，該錨固系統(tǒng)包括一個(gè)“U”形的內(nèi)殼構(gòu)件和一個(gè)“Ω”形的外殼構(gòu)件。將土工復(fù)合材料展開至U形槽中，將Ω形不銹鋼型鋼置于土工復(fù)合材料上，并緊固在U形型鋼上，內(nèi)殼構(gòu)件錨固在壩面上，外殼構(gòu)件用來緊固PVC土工膜，達(dá)到錨固和張緊土工復(fù)合材料的目的。

圖8 美國Lost Creek大壩水上和水下PVC土工膜安裝（1977年）Fig.8 Installation of composite geomembrane

Ω形型鋼直接安裝在原先裸露的表面上，中心間距5.7 m。PVC土工復(fù)合材料按固定樁的間距和直徑打孔，并用Ω形型鋼緊固在U形型鋼上。這些型鋼用厚2.5 mm的PVC土工膜條覆蓋，并用熱焊把PVC土工膜條焊接在PVC土工復(fù)合材料上進(jìn)行防滲。所有防滲土工復(fù)合材料和土工膜條的焊接均用手工單軌熱焊槍采用“熱空氣法”進(jìn)行。

通過錨固，使PVC復(fù)合土工膜平整，避免出現(xiàn)松弛和褶皺；同時(shí)，非粘接的固定方式使復(fù)合土工膜和壩面之間存在空隙，有利于布置排水系統(tǒng)，有利于大壩和復(fù)合土工膜之間滲透水流的排出。土工膜之間通過不銹鋼固定系統(tǒng)連接，水上專用的不銹鋼固定系統(tǒng)見圖9，水下專用的不銹鋼固定系統(tǒng)見圖10。在圖示裝置中，將兩層疊置的PVC土工膜夾緊固定的系統(tǒng)本身具有防水性，不需要額外采用PVC壓條。

3.4 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)的目的是：

（1）匯集和排出滲透土工膜的水，防止靜水壓力作用于壩體，在庫水迅速下降的情況下平衡土工膜壓力。

（2）釋放止水層后面由于壩體濕度造成的水汽壓力，由于不同溫度產(chǎn)生不同壓力，在低壓力下，水汽壓力向表面遷移。

（3）在大氣壓突然變化的情況下，例如刮風(fēng)時(shí)，平衡止水層后的氣壓。

（4）監(jiān)控土工膜止水層的止水性能。

圖9 水上安裝PVC采用的錨固系統(tǒng)（熱焊接）示意圖Fig.9 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in above water PVC installation

圖10 水下安裝PVC采用的錨固系統(tǒng)（熱焊接）示意圖Fig.10 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in underwater PVC installation

PVC系統(tǒng)的排水系統(tǒng)由PVC土工膜聯(lián)接的土工織物及位于土工膜和壩面之間的、由錨固系統(tǒng)產(chǎn)生的空隙組成。錨固在大壩上游面的PVC復(fù)合土工膜上的垂直錨固型件與大氣壓下的垂直排水系統(tǒng)平行。垂直混凝土壩面有利于滲漏水的流動(dòng)，水在止水和壩面之間的間隙中自由流動(dòng)，排水區(qū)的水由排水層的重力排出。而在垂直管道和土工格網(wǎng)區(qū)的水則由位于最低處的管道排出。排水管安裝在廊道至上游面的鉆孔內(nèi)。在每一根排放管的前面都會(huì)安裝一個(gè)不銹鋼板，避免復(fù)合土工膜阻塞相關(guān)水源下的管道。排水通過管道排入檢查廊道、進(jìn)入配備水泵的集水井，或者直接到下游。

復(fù)合土工膜后的排水系統(tǒng)可以長期監(jiān)控PVC柔性防滲系統(tǒng)的可靠性。PVC土工膜防滲的排水系統(tǒng)見圖11。

PVC柔性系統(tǒng)防滲性比較可靠，即使是在土工膜被破壞的情況下，一般也不會(huì)大量滲水。因?yàn)橥凉つて茐暮?，水在滲入壩體之前就被表面排水系統(tǒng)和縱向排水管道攔截并排到下游。土工膜破壞情況下滲水排出的情況見圖12。

圖11 PVC土工膜防滲的排水系統(tǒng)示意Fig.11 Schematic diagram of drainage system of PVC geo-membrane

圖12 土工膜破壞情況下滲水排出的情況Fig.12 Drainage as geomembrane destroyed

土工膜的不透水性和配套的止水系統(tǒng)排水能有效地控制水庫滲水通過大壩上游面。因?yàn)橥凉ず铣刹牧系恼麄€(gè)面未與壩面緊貼在一起，滲水可以通過系統(tǒng)排走，因此可以有效減小和控制大壩的揚(yáng)壓力。排水土工膜系統(tǒng)安裝前后的壩體揚(yáng)壓力對(duì)比見圖13。

3.5 周邊止水封閉系統(tǒng)

防滲復(fù)合土工膜通過密封墊片錨固在整個(gè)大壩上游面的周邊，密封墊片可以確保水下周邊（壩基、溢洪道、進(jìn)水口等部位）不滲水和不受雨水、風(fēng)浪的影響。周邊密封錨固可以避免水滲入復(fù)合土工膜。

圖13 安裝排水土工膜系統(tǒng)前后的壩體揚(yáng)壓力對(duì)比圖Fig.13 Uplift pressures before and after installation of geo-membrane system

周邊止水密封必須能夠抵抗壓力水的滲透，復(fù)合土工膜由平面不銹鋼壓條錨固到壩面上。在復(fù)合土工膜和光滑混凝土表層之間使用壓縮墊圈和接合板，這樣便有足夠的應(yīng)力進(jìn)行錨固。周邊止水密封依據(jù)安裝環(huán)境（水上和水下），錨栓、墊片和常規(guī)壓條等的類型會(huì)有所不同。一般低水頭或者高于50 m時(shí)，周邊止水采用（寬×厚=60 mm×6 mm）或者（寬×厚=80 mm×8 mm）的不銹鋼夾板。壩頂?shù)闹苓吤芊?，由?guī)格（寬×厚=30 mm×3 mm）的平面不銹鋼壓條制成，只需抵抗雨水和風(fēng)浪的滲入，見圖14。

圖14 意大利SCAIS支墩壩1993年壩踵土工膜周邊止水密封Fig.14 Water stop around geomembrane at dam heel of SCAIS buttress dam(Italia 1993)

當(dāng)錨栓穿透土工膜時(shí)，要防滲透水，螺栓頭可以用膠合輔料、合成樹脂等覆蓋，或者用土工膜一樣合成材料的帶狀或者補(bǔ)片覆蓋在錨桿系統(tǒng)上，而后熱焊接到土工膜。

所有板條、錨桿、螺栓、螺絲、墊圈等應(yīng)該為不銹鋼，必須具有抗腐蝕性，能抗大壩混凝土中可溶化學(xué)物質(zhì)或其它水泥產(chǎn)品及水庫中的其它腐蝕。

4 結(jié) 語

混凝土重力壩上游面設(shè)置復(fù)合土工膜的方法，防滲效果明顯。如美國Lost Creek壩土工膜安裝完成后，打開連接到排水網(wǎng)上的排水閥門（安裝在土工膜和大壩間），起初從排水系統(tǒng)排出高速水流，1 h內(nèi)水流明顯減小，到后來水位指示器的讀數(shù)顯示排水系統(tǒng)內(nèi)沒有滯留水。下游壩面呈干燥狀況，且沒有觀察到滲水。Lost Creek壩安裝復(fù)合土工膜系統(tǒng)前后的下游面對(duì)比如圖15所示，安裝前下游壩面非常潮濕，安裝后下游壩面非常干燥。

圖15 Lost Creek壩安裝復(fù)合土工膜系統(tǒng)前后的下游面對(duì)比Fig.15 Downstream face before and after installation of geo-membrane system(American Lost Creek dam)

復(fù)合土工膜防滲技術(shù)具有造價(jià)低、施工工藝簡單、設(shè)備少、施工速度快、防滲性能好且能適應(yīng)壩體變形、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在我國大壩除險(xiǎn)加固的防滲應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。

[1]中國水利水電科學(xué)研究院，中國大壩委員會(huì).豐滿大壩PVC柔性防滲方案可行性調(diào)研[R].2008.

[2]中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院.吉林省豐滿水電站大壩全面治理工程預(yù)可行性研究報(bào)告[R].2009.

[3]顧淦臣.國內(nèi)外土工膜防滲土石壩的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].東北水利水電，1994，(10).

[4]白鳳亭，任興旺.人工湖工程復(fù)合土工膜防滲應(yīng)用技術(shù)[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2010，（2）.